Eine neue Hypothese besagt, dass Dunkle Materie aus verschiedenen Arten von Teilchen besteht

Die Natur der Dunklen Materie ist eines der wichtigsten ungelösten Probleme der Kosmologie, da sie nicht direkt beobachtet werden kann, sondern nur durch ihre Gravitationswirkungen. Zu den Hinweisen zählen Rotationskurven von Galaxien, die Dynamik von Sternhaufen und Muster in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Ihre mikroskopische Beschaffenheit bleibt jedoch unbekannt, da sie nicht mit elektromagnetischer Strahlung in Wechselwirkung tritt. Dies verhindert ihre direkte Erfassung mit herkömmlichen Instrumenten, sodass ihre Beobachtung von indirekten Methoden abhängt.

Eines der erfolgreichsten Modelle ist kalte dunkle Materie (CDM), das davon ausgeht, dass dunkle Materie aus massereichen, nicht-relativistischen Teilchen besteht. Das CDM-Modell stimmt mit großräumigen Beobachtungen überein, wie beispielsweise der Verteilung von Galaxien und den Daten zur kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die von Missionen wie Planck gemessen wurden. Darüber hinaus geben numerische Simulationen auf der Grundlage dieses Modells die filamentäre Struktur des Universums erfolgreich wieder.

Trotz des Erfolgs des CDM-Modells gibt es auf kleineren Skalen einige Unstimmigkeiten, wie beispielsweise bei der Verteilung der Materie in Zwerggalaxien, was auf mögliche Einschränkungen hindeutet. Daher wird in einer neuen Studie, die im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde, die These aufgestellt, dass Dunkle Materie nicht aus einem einzigen Teilchentyp besteht. Das Modell berücksichtigt mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften, deren Verhalten je nach kosmologischer Umgebung variieren kann.

Kalte Dunkle Materie

Kaltes Dunkle Materie (CDM) ist ein Modell, nach dem Dunkle Materie aus massereichen Teilchen besteht, die sich mit nichtrelativistischen Geschwindigkeiten bewegen, also deutlich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Diese Teilchen wirken hauptsächlich über die Gravitation auf einander ein, ohne elektromagnetische Strahlung auszusenden oder zu absorbieren. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass sich kleine Dichtefluktuationen im Laufe der Zeit ausbreiten. Die Dynamik begünstigt die Erhaltung von Strukturen über verschiedene Skalen hinweg und bildet so Muster nach, die in der Verteilung der Materie im Universum beobachtet werden.

Zu den wichtigsten Beobachtungsgrößen im Zusammenhang mit dem CDM-Modell zählen die Rotationskurven von Galaxien, die Gravitationslinsenwirkung und Anisotropien in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Darüber hinaus geben kosmologische Simulationen auf der Grundlage dieses Modells die Entstehung des kosmischen Netzes aus Filamenten und Hohlräumen erfolgreich wieder. Trotz einiger Abweichungen auf kleineren Skalen bleibt das Modell aufgrund seiner Fähigkeit, die meisten Beobachtungsdaten zu erklären, das am weitesten akzeptierte.

Teilchen der Dunklen Materie

In verschiedenen Modellen zur Dunklen Materie wird angenommen, dass sie aus Teilchen besteht, die sich bei einer Kollision gegenseitig vernichten und dabei hochenergetische Strahlung wie Gammastrahlen freisetzen. Dieser Vernichtungsprozess ist eine der wichtigsten indirekten Methoden zu ihrer Erkennung, da Dunkle Materie kein Licht direkt aussendet. Observatorien wie Fermi haben einen Überschuss an Gammastrahlung aus dichten Regionen, wie beispielsweise dem Zentrum der Milchstraße, festgestellt.

Modelle zur Annihilation von Dunkler Materie sagen je nach Wirkungsquerschnitt und Geschwindigkeit der Teilchen unterschiedliche Verhaltensweisen voraus. In einfacheren Szenarien ist die Vernichtungsrate konstant, was bedeutet, dass ähnliche Signale auch in anderen Systemen mit hohem Anteil an dunkler Materie, wie beispielsweise Zwerggalaxien, nachweisbar sein müssten. In Modellen hingegen, in denen die Vernichtung von der Geschwindigkeit abhängt, machen die geringen Teilchengeschwindigkeiten in galaktischen Halos den Prozess extrem selten, was das Fehlen von Signalen in Zwerggalaxien erklärt.

Neue Hypothese

Eine neue Hypothese besagt, dass Dunkle Materie nicht aus einer einzigen Komponente, sondern aus mehr als einer Art von Teilchen besteht. In diesem Szenario findet die Annihilation nicht zwischen identischen Teilchen statt, sondern zwischen zwei verschiedenen Komponenten, die miteinander interagieren müssen. Dies führt zu einer zusätzlichen Abhängigkeit, die mit der relativen Häufigkeit der einzelnen Teilchentypen in verschiedenen Umgebungen zusammenhängt. Selbst wenn die Annihilationswahrscheinlichkeit konstant ist, hängt die effektive Ereignisrate dann von der Wahrscheinlichkeit der Begegnungen zwischen diesen beiden Populationen ab.

Infolgedessen würden Regionen mit ähnlichen Anteilen der einzelnen Komponenten tendenziell stärkere Signale aufweisen. Diese Struktur hilft, Beobachtungsunterschiede zwischen Systemen wie der Milchstraße und Zwerggalaxien zu erklären. In größeren Galaxien, in denen beide Partikeltypen möglicherweise in gleichen Anteilen vorkommen, wäre die Vernichtungsrate höher, was zu Signalen wie einem Überschuss an Gammastrahlen führen würde. Im Gegensatz dazu würde in Zwerggalaxien ein möglicher Unterschied in der Häufigkeit die Wahrscheinlichkeit verringern und zu einer schwächeren Emission führen, was mit den aktuellen Beobachtungen übereinstimmt.

Warum ist dunkle Materie so schwer zu verstehen?

Die Natur der Dunklen Materie lässt sich nach wie vor nicht durch bestehende physikalische Modelle erklären und bleibt eines der größten Rätsel. Modelle wie CDM können einige Beobachtungen erfolgreich nachbilden. Einige Versuche der indirekten Detektion, wie beispielsweise die Suche nach Annihilationssignalen in Gammastrahlen, stoßen jedoch auf Schwierigkeiten bei der Übereinstimmung mit der Theorie. Daher ist es aufgrund fehlender direkter Beobachtungen schwierig, ein bestimmtes Modell zu validieren.

Darüber hinaus erhöhen neue theoretische Ansätze, wie beispielsweise die Möglichkeit mehrerer Komponenten, die Komplexität des Problems noch weiter. Diese Modelle führen Umgebungsabhängigkeiten und zusätzliche Parameter ein, wodurch Vorhersagen flexibler werden. Beobachtungsunterschiede zwischen Systemen wie der Milchstraße und Zwerggalaxien lassen sich auf vielfältige Weise interpretieren, ohne dass es eine einzige eindeutige Lösung gibt. Auch instrumentelle Einschränkungen und astrophysikalische Unsicherheiten tragen zu diesem Rätsel bei.

Quellenhinweis:

Berlin et al. 2026 dSph-obic dark matter Journal of Cosmology and Astroparticle Physics